矩形螺旋通道气液两相流流动和传热特性数值研究

采用Eulerian模型对矩形截面螺旋通道内气液两相流进行数值模拟,研究了螺旋通道内不同轴向位置气液两相流动的速度分布、相分布和温度分布特性,并分析无量纲螺距对速度分布、温度分布、单位长度压降和换热系数的影响。对水动力模型数值结果与实验结果、传热模型数值结果与实验关联式进行对比,结果表明:在一定范围内,无量纲螺距的增加使得速度场、温度场变化梯度增大,同时壁面换热系数稍有增大;超过无量纲螺距临界值,速度场和温度场的变化梯度随无量纲螺距的增加而减小;随着无量纲螺距的增加,单位长度平均压降稍有增加,并且增加的幅度逐渐减小;无量纲螺距对相分布特性几乎无影响;随着入口截面含气率的增加,单位长度平均压降和换热效果提高。     

蒸发/冷凝段长度比对脉动热管性能的影响

脉动热管是一种结构简单、传热性能突出的新型传热元件,由于运行过程涉及沸腾与冷凝及两相流动,传热及流动机理复杂,因此目前对其运行过程的相关数值模拟尚不成熟。本文采用VOF(volume of fluid)模型,考虑表面张力和壁面接触角的影响,采用数值模拟软件对单环路脉动热管的流动及传热特性进行了研究。数值模拟中,单环路脉动热管的充液率为40%～60%,热端加热功率为10～40W,探讨了热管蒸发段与冷凝段长度比对热管启动及换热性能的影响,并分析了脉动热管运行时流型特征。结果表明:随蒸发段和冷凝段长度比值增大,脉动热管启动时间缩短,且换热性能有一定提高;但在低充液率时,容易出现“干烧”现象。在低加热功率时,脉动热管的启动方式为温度突变式;而在高加热功率时,其启动方式为温度渐变式。此外,通过蒸发段的温度振荡特征可以确定脉动热管的启动时间。     

两相闭式热虹吸管的流动与传热特性研究

对两相闭式热管内的流动与传热特性进行数值模拟.分段建立热管内的流动与传热方程,通过编写程序对控制方程进行求解.采用离散液膜下降高度方法,联合利用复合辛普森数值积分和四阶龙格库塔数值微分方法成功地实现模型求解过程.将热管内充液量、饱和蒸汽温度和加热段热流密度作为影响因素进行数值计算.在分析中考虑下降液膜和上升蒸汽之间界面剪切力的影响.数值计算结果发现,尽管界面剪切力有时对传热过程的影响不大,但冷凝段和蒸发段的液膜都有所增厚,模型预测结果与实验测量值吻合程度有所改善.数值模拟结果表明,综合考虑热管内界面剪切力和总体充液量对热管流动与传热特性的影响是有必要的,由此获得的传热特性关联式更符合实际情况,可以为热管换热器的性能计算和设计提供指导.     

热管换热器流动与传热的CFD模拟及试验

根据热管换热器结构特点及传热特性,建立了热管换热器壳程流动与传热的三维物理模型。模型中引入了多孔介质模型中的分布阻力和分布热源的概念,通过CFD计算软件模拟研究了热管换热器压力降与温度场分布,模拟研究结果与试验结果吻合良好,为热管换热器的进一步理论研究和推广应用提供了依据。     

热管倾斜波纹翅片强化传热三维数值模拟与分析

利用CFD计算软件FLUENT,对均匀倾斜波纹翅片和倾角渐增倾斜波纹翅片的流体流动和传热过程进行了数值模拟,得到了翅片表面温度场、速度场和压力场的分布情况,并将其强化传热效果与平板翅片进行了对比,应用流体力学和场协同理论分析了模拟结果.模拟结果表明倾斜波纹翅片具有较好的传热效果,为热管翅片强化传热的研究提供了理论基础.     

变管径单回路脉动热管传热特性数值研究

为了探究变管径结构对脉动热管传热性能及传热极限的影响,以水为工质,在不同加热功率、不同充液率工况下,对变管径单回路脉动热管传热特性进行了数值模拟,研究了变管径结构对温度特性、传热热阻及传热极限功率的影响规律,并与常规脉动热管进行了对比分析。研究结果表明:变管径热管在脉动过程中的脉动振幅较小,具有良好的均温性。变管径结构的设计有利于降低单回路脉动热管的热阻,提高其稳定运行时的脉动频率,随着充液率的增加,该优势更加明显。另外,使用变管径结构可以增加脉动热管内液膜的再湿润程度,从而提高脉动热管的传热极限。     

用于低温余热回收系统热管换热器传热性能的数值模拟

采用CFX软件Fluent模拟了用于低温余热回收的重力热管内的相变情况及充液率、热管长度比、管中心距对热管换热器传热性能的影响。模拟结果显示,水量一定时,加热段与冷凝段长度相同的热管在不同充液率条件下的传热特性,高充液率的传热能力优于低充液率的传热能力,适宜的充液率为60%~70%。当充液率一定时,加热段的长度小于冷凝段的长度有利于热管传热。当充液率及管长一定时,热管换热器的传热系数随管中心距的增大而减小。将热管换热器数值模拟的总传热系数与理论计算的结果进行对比,实现了特定体系热管换热器的结构优化。     

异型热管余热回收特性研究

对于极端条件传热,异型热管具有独特优势。文中以RB211-535E4型发动机为例,针对航空发动机余热及吸热端和放热端的安装结构特点,设计出一种吸热段和放热段为圆弧状的、可安装在内外涵道间的异型热管,并按实际与仿真模型类比率1∶18,对异型热管模型蒸发段和冷凝段与绝热段连接处进行圆角半径分别为2.5,4,6 mm的结构优化。采用数值方法对比研究了异型热管与平直热管的运行特性。结果表明：异型热管的温度、多相流流型分布皆优于平直热管,且R为4 mm异型热管传热效果最优;启动性能上各型热管差别不大;传热性能上R为4 mm异型热管具有良好的等温性和最大的换热效率,换热效率相比平直热管提升近30%。因此可认为R为4 mm异型热管在此工况下具有最优的运行特性。将数值模拟结果与试验结果进行对比,验证了数值模拟方法的可行性。     

高压玻璃钢管道固化工艺芯模传热特性研究

本文研究采用蒸汽从内部加热的高压玻璃钢管道固化工艺,介绍了其工艺原理,建立了芯模的传热模型以及内部蒸汽流动的动力学模型,基于标准κ—ε两方程湍流模型和汽液两相流相变模型,使用有限元流体分析软件Fluent对芯模传热的蒸汽流动和传热过程进行数值模拟,根据仿真结果得到了蒸汽流场以及温度场分布情况和变化历程,分析了蒸汽流场内压力、温度、速度等物理量与蒸汽控制参数和流道结构参数之间的关系。本文的研究为高压玻璃钢管道固化工艺的实现以及芯模结构参数和蒸汽控制参数的优化提供理论依据。     

双辊薄带连铸工艺布流系统的三维数值模拟

以直径600 mm、辊宽550 mm的双辊薄带连铸的布流系统及熔池为研究对象,采用FLUENT软件对熔池内钢液流动进行三维非稳态数值模拟分析,以计算结果验证设计结构的合理性,分析转速及浇注温度对熔池内流场及温度场分布的影响.结果表明,三维数值模拟能计算熔池沿轴向的温度场和凝固区分布,比二维数值模拟能更准确描述熔池的传热过程.转速为60 m/min、浇注温度1490℃时,熔池温度场及凝固区分布最合理.     

水箱沸腾加热过程的数值模拟

为了解沸腾换热的机理,分析了水箱内的水到达饱和状态时的沸腾情况。对水箱沸腾加热过程进行了模拟,通过求解蒸汽连续性方程和液体连续性方程,得到了速度场、压力场、温度场和蒸汽体积比例并进行了比较研究。结果发现,若水已经到达饱和状态且加热板表面为光滑表面,由于温差不同,沸腾的情况也不相同。     

翅片重力热管传热性能实验研究

热管是一种利用工质相变传热,具有传热温差小、热响应速度快、换热量大等优点的传热元件。为研究翅片重力热管的传热性能,实验测试了翅片重力热管与平板重力热管（铝-丙酮工质）的传热性能,比较了其瞬态热响应速率,获得了翅片与平板重力热管在蒸发段不同电功率稳定加热条件下表面温度沿高度方向的变化规律,计算了平板热管的等效热导率,并与铝板测量结果进行了对比。结果表明：重力热管传热速度快、表面均温效果好,热导率随功率的增大先升高后降低,整体上热导率高达纯铝的84~258倍,翅片热管相比于平板热管具有更好的均温性和散热效果,在建筑供暖、车载电池散热、余热利用等领域具有广泛的应用前景。     

回路型脉动热管稳定运行传热模型的建立及分析

建立了简单回路脉动热管稳定运行的传热模型,分析影响稳定传热热阻和传热功率的主要因素。结果显示,回路脉动热管的传热热阻可分为冷却热阻和循环热阻,其中冷却流速、冷却面积和冷却段长度占总长度的比例,是影响冷却热阻的主要因素;热源温度和充液率是影响循环热阻的主要因素;冷却温度对传热热阻影响很小。对空气冷却式回路脉动热管,提高冷却面积、冷却段长度比例和冷却流速,提高热源温度、降低冷却温度,提高充液率都可提高传热功率,其中前3个因素是提高传热功率的最佳途径。稳定运行时,传热功率的充液率范围为10%～80%,且随充液率增加,传热功率略有增加。     

旋流式蒸汽混合撬的研发与应用

旋流式蒸汽混合撬是直接将蒸汽平稳地掺入需加热介质的设备,在掺入蒸汽的过程中有效避免了水击、需加热介质中杂质较快堵塞管道的问题,不考虑壳程损耗的情况下蒸汽利用率可达100%。本文主要展示了由于工业生产中原油加热脱水时遇到的问题,传统原油脱水加热方法采用物理换热法,即通过金属的热传导作用将温度较高热源介质的热量传递给温度较低的需加热介质,使温度较低的需加热介质达到升温的目的,此种方法设备综合热利用效率普遍低于80%,如果再考虑介质流速、导热材料结垢、介质纯净度等因素,综合热效率不足60%;作者等通过对这些问题的分析设计并制造出旋流式蒸汽混合撬;在设计的过程中首先考虑了水击问题和需加热介质易堵塞通道的问题,颠覆了传统的换热理念,通过对该设备的完善和优化,达到了较理想的效果,同时理论上模拟了不同加热温度的节能指标,以及在现场投入使用后的应用效果评价,认为该设备适用于目前的生产工况,可产生较高的经济效益。     

混合工质低温热管的传热性能

采用氮和氩的二元混合物对混合工质低温热管的传热性能进行了实验研究,搭建了混合工质低温热管传热性能测试实验台。采用了一种非常安全有效的方式对定量、定比例的工质进行充注。测试了以纯氮、纯氩以及氮-氩二元混合物为工质的低温热管传热性能,并对三者的实验结果进行了分析比较。实验结果表明低温热管采用混合工质可以有效地扩大其工作温区,且混合工质低温热管的传热热阻介于两种纯工质低温热管的热阻之间,纯氮工质的最小。实验中测得混合工质低温热管的传热极限是160 W,和纯氩工质低温热管的一样,高于纯氮工质的110 W。因此,混合工质低温热管综合了两种纯工质低温热管的优点,既有较高的传热极限,又有适中的热阻。     

DIRECT CONTACT HEAT TRANSFER BETWEEN TWO IMMISCIBLE LIQUIDS

Direct-contact heat transfer between two immiscible liquids in turbulent pipe flow is studied under non-boiling conditions. The salt water and BP-Transcal 65 heat transfer oil are used as immiscible liquids. The diameter and the length of the pipe are 1.33 cm. and 304 cm., respectively. The effects of oil volume fraction, inlet salt water concentration, average liquid velocity, inlet oil temperature and pipe length on the over-all volumetric heat transfer coefficient are investigated.     

倾角及加热功率对乙烷脉动热管传热性能的影响

为了研究脉动热管在中低温区的传热性能,设计了一台乙烷脉动热管,采用低温Stirling制冷机为冷源。实验研究了在不同温区范围内,加热功率和倾角两个因素对乙烷脉动热管传热性能的影响。研究结果显示：在－40℃和－70℃温区,当倾角小于45°时,倾角对传热温差的影响较小,而倾角在45°～90°之间时,随着倾角的增大,传热温差呈明显上升趋势。在较低加热功率下,倾角对传热温差的影响较小,在较高加热功率时,倾角对传热温差的影响较大。实验还发现在同一倾角下,随着加热功率的增加,传热温差逐渐增大,传热热阻呈现出先减小后增大的趋势。     

DIRECT CONTACT HEAT TRANSFER BETWEEN TWO IMMISCIBLE LIQUIDS

Direct-contact heat transfer between two immiscible liquids in turbulent pipe flow is studied under non-boiling conditions. The salt water and BP-Transcal 65 heat transfer oil are used as immiscible liquids. The diameter and the length of the pipe are 1.33 cm. and 304 cm., respectively. The effects of oil volume fraction, inlet salt water concentration, average liquid velocity, inlet oil temperature and pipe length on the over-all volumetric heat transfer coefficient are investigated.     

垂直管内不互溶液滴群直接接触汽化传热

在一气升式外循环实验设备中研究了冷剂正戊烷与热流体水在垂直管内直接接触汽化传热过程。根据单液滴不互溶冷剂汽化关联式，推导出多液滴汽化过程中局部和平均体积传热系数表达式，表达式较好地解释了实验结果。讨论了冷剂表观流速、冷剂与热流体间的传热温差对体积传热量ｑｖ和体积传热系数ａｖ的影响；以及冷剂表观流速对冷却温差的影响。     

不同充液率平板热管性能实验

搭建了平板热管测试实验台，对不同充液率下热管性能进行了实验研究，并以最佳充液率的热管为研究对象，分析了加热功率、冷却水温及冷却水流速对热管性能的影响。实验结果表明：充液率为20%和30%时热管在各加热功率下展现了良好的性能，最小热阻为0.18℃/W和0.19℃/W，热导率为8158W/(m·℃)和8540W/(m·℃)。由于沸腾换热滞后性，相较于功率增加，功率减少时热管性能更优，同等加热功率条件下蒸发段温度更低。功率增加和功率减少对热管蒸发段热阻影响较大，而冷凝段热阻几乎不受影响。当冷却水温为17℃和22℃时，热管蒸发段温度比冷却水温为7℃和12℃时蒸发段温度低2℃左右。相较于冷却水温22℃时，冷却水温为17℃时热管蒸发段温度能更快达到稳定值。冷却水流速影响蒸发段温度及达到稳定运行的时间，实验表明热管工作的最佳冷却水流速为5.81g/s。